降雨條件下鄂南幾個紅壤團聚體破碎特征及坡面侵蝕響應研究.pdf

1、我國南方紅壤區(qū)具有豐富的水熱資源，但其季節(jié)性分配不均，加之人口密度大造成人為對土地擾動頻繁，使得土壤侵蝕是制約該地區(qū)農業(yè)、經(jīng)濟和社會發(fā)展的主要原因之一。針對南方紅壤區(qū)土壤侵蝕過程和機制的研究，對該區(qū)土壤侵蝕防治、農業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的作用。根據(jù)《中國水土流失與生態(tài)安全·南方紅壤區(qū)卷》的調查結果顯示，面狀侵蝕是我國南方紅壤丘陵區(qū)最普遍、面積和比例都是最大的水土流失方式，包括降雨條件下的濺蝕和細溝間侵蝕，還包括坡面徑流引起的細溝

2、侵蝕。因此，認識并掌握該區(qū)主要侵蝕方式的侵蝕機制和規(guī)律十分必要。本文選取湖北省成寧市賀勝橋鎮(zhèn)的第四紀紅黏土、泥質頁巖發(fā)育的紅壤為研究對象，利用室內模擬方法研究了團聚體動態(tài)破碎特征和孔隙特征，并基于團聚體破碎特征系統(tǒng)研究了團聚體破碎對坡面侵蝕過程的作用機制。本研究主要內容包括：
　　⑴利用濕篩法和Le Bissonnais(LB)法系統(tǒng)分析了供試土樣團聚體穩(wěn)定性。同時，考慮到紅壤黏粒含量高這一特性，分析了團聚體在不同前期含水率條件下

3、團聚體穩(wěn)定性和破碎特征。土壤前期含水率越大，團聚體破碎程度越小。隨著前期含水率的升高，第四紀紅黏土發(fā)育的2個紅壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑先增大后減小，拐點出現(xiàn)在含水率為15％條件下;泥質頁巖發(fā)育的2個紅壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑顯著增大。提高團聚體前期含水率，降低團聚體破碎程度，能被雨滴擊濺遷移的物質就少，濺蝕量少。
　?、评檬覂葪l件下的模擬降雨試驗，研究了團聚體在降雨過程中破碎特征。在團聚體動態(tài)破碎和不同破碎機制的基礎上，分析

4、其對細溝間侵蝕過程和濺蝕過程的影響。①細溝間侵蝕過程中，降雨前期團聚體主要以消散破碎為主，表現(xiàn)出在土壤表面迅速形成大量微團聚體，隨著降雨的進行，團聚體主要以雨滴打擊下的機械破碎為主，團聚體破碎相對緩慢。徑流泥沙濃度受團聚體破碎程度的減小和表土結構的發(fā)育的影響，隨降雨時間逐漸減小。徑流泥沙粒徑隨降雨時間表現(xiàn)出大顆粒含量增多的趨勢，其中土樣QX2和SX3在產(chǎn)流后降雨0-24 min內，泥沙含量主要集中在100-250μm范圍內（45.87％

5、-53.13％），產(chǎn)流后降雨36-60min內，泥沙含量主要分布在100-250μm、250-500μm和500-1000μm范圍內;土樣QX4和SX1徑流泥沙顆粒分布在＜200μm范圍內，表現(xiàn)出泥沙含量隨粒徑的增大而減少，各粒級范圍內的顆粒含量均隨著降雨的進行伴隨著波動變化。②隨前期含水率的升高，第四紀紅黏土發(fā)育2個紅壤濺蝕量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在含水率為15％時達到最小;泥質頁巖發(fā)育2個紅壤濺蝕量隨前期含水率的升高顯著減小。團聚

6、體水穩(wěn)性較高的土樣，濺蝕粒徑分布呈雙峰曲線分布，主要分布1-0.5 mm和＜0.05 mm范圍內，且前期含水率越高，＜0.05 mm濺蝕顆粒含量越大;而團聚體水穩(wěn)定性較差的土樣，除前期含水率為20％外，濺蝕粒徑分布呈單峰曲線分布，主要分布在0.25-1mm。③降雨過程中，累積濺蝕量隨著降雨時間呈冪函數(shù)增加。濺蝕顆粒中，不同土樣濺蝕顆粒富集率表現(xiàn)出不同的變化趨勢，其中粒級為0.25-1 mm團聚體最易發(fā)生遷移。④降雨過程中，團聚體在降雨前

7、期最容易發(fā)生破碎，不同土樣隨降雨時間的破碎特征可用以下關系式表示:D=1.02RMI+1.77T0.06，其中D為破碎團聚體粒徑分形維數(shù)，RMI為相對機械破碎指數(shù)，T為降雨時間。⑤總濺蝕量隨著團聚體破碎呈冪函數(shù)增加，用下式表示:M=(3.8×10-14)RMI·D32.36，其中M為濺蝕量，RMI為相對機械破碎指數(shù)，D為破碎團聚體粒徑分形維數(shù)。
　?、峭ㄟ^室內模擬干濕循環(huán)試驗，利用同步輻射顯微CT掃描技術和圖像分析技術，定量研究對

8、團聚體孔隙特征變化。在此基礎上，利用偏最小二乘回歸法首次系統(tǒng)研究了團聚體孔隙特征與團聚體破碎和集中水流內土壤分離之間的關系。①在干濕循環(huán)的作用下，團聚體結構變得相對疏松，孔隙間連通性得到改善，團聚體呈現(xiàn)明顯的復雜的疏松多孔結構。具體表現(xiàn)在:團聚體中總孔隙度增加，孔隙數(shù)量減少，加長孔隙度和＞100μm孔隙度增加。②通過偏最小二乘回歸法得出的結果表明，總孔隙數(shù)量、75-100μm孔隙度、總孔隙度和＞100μm孔隙度是控制團聚體在LB法測定下

9、的水穩(wěn)定性和抗壓法測定下的力穩(wěn)性的主要孔隙特征因子。團聚體孔隙度越大，其孔隙結構越復雜，由此增加團聚體孔隙中的空氣壓力、加快水分的進入速率以及增加團聚體中裂隙傳播和相互作用的概率。③通過偏最小二乘回歸法得出的結果表明,＞100μm孔隙度、總孔隙度、規(guī)則孔隙度、30-75μm孔隙度和加長孔隙度是控制集中水流下土壤分離速率的主要孔隙特征因子。其中，土壤分離速率與＞100μm孔隙度、總孔隙度和加長孔隙度顯著正相關。土壤結構的破裂主要取決于土壤